Роле-игровой проект по теме "Производство уксусной кислоты"

Консультанты проекта: преподаватель ТГПУ.

Предмет: химия, 10 класс, курс органической химии.

Учебные дисциплины, близкие к теме проекта: физика, математика, экология.

Тип проекта: исследовательский, практико-ориентированный, ролевой.

Проект предназначен для учащихся биолого-химических классов.

• Образовательные – формирование умений и навыков работы с различными источниками информации, расширение политехнического кругозора, изучение технологии производства уксусной кислоты, основ техники безопасности органического синтеза;
• Воспитательные – воспитание у школьников чувства коллективизма, ответственности, бережного отношения к природе;
• Развивающие – развитие творческого, экологически направленного мышления школьников, умений самостоятельного поиска нужной информации.

• Изучить способы получения карбоновых кислот;
• Узнать содержание и трудовые обязанности людей разных профессий химического производства;
• Воспитывать готовность к активности, самостоятельности и поисковой деятельности учащихся, раскрыть творческие способности на примерах управления химико-технологическими процессами;
• Обучить приемам активного речевого общения в ходе коллективного обсуждения и принятия решения.

Имитационная модель: на расширенном производственном совещании при “директоре” обсуждается понижение концентрации уксусной кислоты на выходе из реактора.

Оборудование: растворы уксусной кислоты разной концентрации, набор ареометров, таблицы, схемы, лабораторная посуда.

Аннотация: данный проект направлен на расширенное изучение курса органической химии учащимися, профориентацию.

Предполагаемые продукты проекта: деловая ролевая игра.

Этапы работы:

Определение темы и целей проекта, постановка проблемы; планирование работы над проектом; распределение ролей; изучение заданной ситуации и технологического процесса производства уксусной кислоты; подбор и обзор литературы; проведение эксперимента ; формулирование и оформление результатов; оценка деятельности.

Распределение ролей.

Все участники игры получают роли: “директор завода”, “главный инженер”, “экономисты”, “сотрудники научного отдела”, “сотрудники отдела охраны труда” , “инспекторы по охране окружающей среды”, “сотрудники отдела сбыта”, “сотрудники отдела главного энергетика”, представители заводской химико-аналитической лаборатории.

Примерный сценарий

Учитель: во вступительном слове объявляет тему и цель урока, обосновывает необходимость синтеза большого количества уксусной кислоты (крупно - тоннажное производство), в обсуждении создавшейся ситуации примут участие сотрудники разных отделов предприятия. Для ведения совещания слово предоставляется директору завода.

Директор завода. Коллеги, от контролеров ОТК вчера получено заявление о том, что вчера, концентрация уксусной кислоты понизилась до 70%. Сегодня мы собрались для того, чтобы определить причины понижения концентрации. Прежде чем приступить к анализу, я хочу дать слово главному инженеру.

Главный инженер. Уксусная кислота – один из важнейших нефте – химических продуктов и в настоящее время получила широкое распространение. Водный раствор используется в пищевой промышленности в качестве вкусового и консервирующего средства, сложные эфиры уксусной кислоты используются как растворители и душистые вещества. Широко используется уксусная кислота в производстве ацетатного волокна, в синтезе красителей и лекарственных веществ, в производстве гербицидов (веществ, которые используются в с/х).

Такое широкое применение уксусной кислоты повлекло за собой и расширение ее производства во всех странах мира, в том числе и нашей страны.

Заместитель директора по науке и технике. Произвести уксусную кислоту можно разными способами. Самым старым промышленным методом является перегонка древесины с помощью бактерий. В настоящее время также используется бактериальный метод в основном для получения пищевого уксуса. Уксусную кислоту, которая идет в дальнейшее производство, получают из ацетальдегида, ацетальдегид получают из ацетилена, а ацетилен можно получить двумя способами: а) из метана 2СН₄ —> С₂Н₂ + 3Н₂ ;

б) из карбида кальция СаС₂ + 2Н₂О —> С₂Н₂ Са(ОН)₂;

(СаСО₃ —> СаО —> СаС₂ —> С₂Н₂)

Смесь продуктов пропускают через раствор сульфата меди (II) для удаления гидроксида кальция, получают чистый ацетилен.

Чистый ацетилен пропускают через раствор оксид ртути (II), который является катализатором, нагревают до 200 ⁰С, получают уксусный альдегид. Эта реакция называется реакцией гидратации ацетилена. Открыл эту реакцию русский ученый Михаил Григорьевич Кучеров в 1881 г., поэтому она носит название – реакция Кучерова:

СН ? СН + Н₂О —> [СН₂ = С ОНН] —> СН₂ - С ОН. Ацетальдегид поступает на производство уксусной кислоты. Этот способ имеет свой недостаток – используемые в нем соли ртути являются ядовитыми соединениями и могут вызвать отравление. Более современным является способ окисления этилена. Это наиболее перспективный способ: 2СН₂ =СН₂ + О₂ 2СН₃ – С – Н Используется безртутный катализатор – PdCl₂.

Современный способ: 2СН₃-СН₂-СН₂-СН₃ + 5О₂ —> 4СН₃- СООН + 2Н₂О.

Данная реакция протекает в одну стадию, в качестве катализатора используются соли марганца и кобальта, это стало возможным благодаря достижениям науки и техники. В настоящее время общее число каталитических процессов, используемых в технологии, исчисляются сотнями. Катализ- основа получения всех веществ, на которых базируется производство новых синтетических материалов. Путем подбора катализатора можно направить реакцию в сторону получения определенного продукта из большого числа возможных продуктов.

Инженер – технолог. Теперь коснемся непосредственно получения уксусной кислоты. На нашем заводе, как в прочем и на всех остальных заводах, уксусную кислоту получают путем окисления ацетальдегида: СН₃СОН —> СН₃СООН.

Образование уксусной кислоты идет в присутствии катализатора ацетата марганца [Mn(OCOCH₃)]. Наиболее гладко данный процесс протекает в специальных окислительных колоннах (используется плакат, или компьютерная презентация). Окислительная колонна около 10 метров, состоит из нескольких отсеков. Снизу в колонну подается ацетальдегид и раствор ацетата марганца, кислород поступает во все царги колонны, кроме двух верхних и создается возможность регулировать процесс окисления по высоте колонны. В каждой царге, кроме верхней, имеются алюминиевые змеевики. Верхняя царга заполнена жидкостью, служит брызгоулавливателем, через который отходят непрореагировавший кислород и ацетальдегид. Газовая смесь, выходящая из верхней части колонны охлаждается до -10 ⁰С в рассольном холодильнике. Здесь конденсируется основная часть увлеченного ацетальдегида и возвращается на окисление. Для того, чтобы определить причины понижения концентрации уксусной кислоты нам необходимо сделать анализ.

Директор завода. Директор завода дает задание:

- лаборантам: определить еще раз концентрацию полученной вчера кислоты (лаборанты уходят к столу с заготовленным оборудованием для проведения анализа - ареометрами, таблицей плотности растворов кислоты и ее концентрации, образцами растворов кислот); - экономистам – составить материальный баланс производства 1 т уксусной кислоты, полагая, что для этого взят ацетальдегид (с w (примеси) 8% и выходом уксусной кислоты - 90%). Результаты расчета выразить в таблице; - энергетикам – сосчитать энергетический баланс, сделать расчет затрат тепла на получение 1 т уксусной кислоты (Q =288,2 кДж/моль); - результаты исследования записывают на доске энергетики и экономисты; - аппаратчик сверяет эти данные с теми, которые записаны у него в журнале; видя, что данные совпадают, делает вывод, что нарушения надо искать в самом процессе!

Все пытаются высказать свои предположения, где, в какой части аппарата могут произойти нарушения, которые привели к такому понижению концентрации.

Инженер – технолог. Вновь делает обзор всего процесса и предполагает, что возможно не выдержан тепловой режим в рассольном холодильнике (причиной чего может быть недостаточно холодная вода), в результате чего температура в холодильнике выше - -10 ⁰С, идет потеря большого количества ацетальдегида – это как раз и приводит к снижению концентрации получаемой уксусной кислоты.

Аппаратчик. Подтверждает, что температура в холодильнике была значительно выше требуемой.

Инженер по технике безопасности. Окисление уксусного альдегида – сложная , практически необратимая реакция. Эта реакция идет через образование надуксусной кислоты. Накопление надуксусной кислоты может привести к взрыву. Для того, чтобы этого не произошло, необходимо строго поддержать температуру в заданных пределах 50-80 ⁰С. Чтобы процесс протекал при указанных температурах в жидкой фазе, необходимо поддерживать давление 2 атм. Для этого в верхнюю часть колонны непрерывно подается азот под давлением. Нельзя нарушать температурный режим: не следует думать, что в следующий раз мы отделаемся также легко.

Главный инженер. В настоящее время широкое распространение получает способ получения уксусной кислоты. Этот способ называется жидкофазное окисление бутана: 2СН₃-СН₂-СН₂-СН₃ + 5О₂ —> 4СН₃- СООН + 2Н₂О. Процесс осуществляется в автоклавах при температуре - 150-200 ⁰С и давлении 30-90 атм. Этот способ широко применим в США, сегодня и в нашей стране.

Эколог. Производство ацетальдегида на ртутном катализаторе очень неэкологично. Сложность ликвидации паров ртути заключается в том, что при охлаждении она конденсируется в виде тонкодисперсных капелек, которые потоком воздуха могут уноситься на большие расстояния. Пары ртути могут поглощаться стенами помещений, а потом испаряться снова и загрязнять атмосферу производственных помещений, создавая опасность хронического заражения работающих, поскольку ртуть может накапливаться в организме человека и отрицательно действовать на процессы жизнедеятельности. При производстве, например, 100000 т ацетальдегида в окружающую среду может поступать до 15 т ртути.

Инженер по науке. Успехи науки в области катализа дают возможность использовать в производстве новые источники сырья и перейти к более прогрессивным технологическим процессам, как это мы видим на примере получения уксусной кислоты из бутана – доступного природного сырья. Это является свидетельством углубляющегося процесса слияния производства с наукой – важной чертой развития современного химического производства.

Сотрудники отдела сбыта. Представляют схему потребления уксусной кислоты и комментируют ее. Таким образом, остановка предприятия подвела бы потребителей уксусной кислоты. Схему применения уксусной кислоты рассматривает инженер по сбыту продукции: уксус и уксусная эссенция, соли, гербициды, производство красителей (индиго), поливинилацетат, лекарственные средства (аспирин), растворитель органических веществ, негорючая кинопленка, ацетатное волокно, растворители в лакокрасочной промышленности, протрава для крашения и др. (плакат или слайдовая презентация).

Экономисты. Представляют результаты расчета материального баланса производства 1 т уксусной кислоты, полагая, что для этого взят ацетальдегид (1% примеси) и выходом уксусной кислоты 90%. Результаты расчетов выразить в таблице (учащиеся записывают расчет в тетради).

Таблица

Материальный баланс.

Энергетики. Произвести расчет энергетических затрат на производство 1т уксусной кислоты.

СН₃СОН + 1/2О₂ —> СН₃СООН + 288,2 кДж

Q=4803,4 *10³ кДж

Журнал контроля технологического процесса

Заключительное слово учителя: таким образом, мы увидели, что любое производство, а производство органического вещества в частности, является сложным и опасным, поэтому все подразделения предприятий должны работать четко т слаженно, соблюдая технику безопасности; кроме этого, хорошо должна работать автоматика и производственная телемеханика и всевозможные датчики состояния аппаратуры и процессов. Кроме этого, специалисты должны работать в области усовершенствования технологий, новых источников сырья и катализаторов.

Сейчас проведем расчеты: при получении уксусной кислоты каталитическим окислением бутана израсходовано 38 л (н.у.) бутана. Масса полученной кислоты равна 200 г. Определите практический выход кислоты в % от теоретического.

Список рекомендуемой литературы:

1. Аранская О.С., Бурая И.В. Проектная деятельность школьников в процессе обучения химии. М.: Вентана-Граф, 2005.
2. Белоцветов Л.В. Химическая технология. М.: Просвещение, 1976.
3. Даценко И.И. Химическая промышленность и охрана окружающей среды. Киев, Высшая школа, 1986.
4. Пахомова Н.Ю. Метод учебного проекта в образовательном учреждении М.: АРКТИ, 2008.
5. Сергеев И.С. Как организовать проектную деятельность учащихся М.: АРКТИ, 2005.